Перший закон Кірхгофа, відомий також як принцип збереження заряду, є одним з основних принципів електричного кола. Він встановлює, що в будь-якому вузлі електричного кола сума вхідних і вихідних зарядів повинна дорівнювати нулю.
Цей закон сформульований Густавом Кірхгофом в 1845 році і лежить в основі безлічі фізичних та інженерних розрахунків, пов'язаних з електричними ланцюгами. В основі принципу збереження заряду лежить закон збереження маси, який стверджує, що маса не може бути ні створена, ні знищена, а тільки перетворена з однієї форми в іншу.
Принцип збереження заряду можна пояснити наступним чином: за будь-яким зарядом мчить електричне поле, яке створюється цим зарядом. Коли заряд переміщається, то і поле з ним переміщається. Якщо заряд залишає один вузол і входить в інший, то електричне поле переміщається разом з ним, зберігаючи свою інтенсивність. Іншими словами, поле, яке залишає один вузол, має дорівнювати полю, яке входить в інший вузол. Таким чином, сума зарядів в електричному ланцюзі залишається незмінною.
Перший закон Кірхгофа-це основний принцип, який дозволяє враховувати потік зарядів в електричному ланцюзі і виконувати Різні математичні розрахунки, пов'язані з електричними схемами. Розуміння та застосування цього закону є важливим кроком у вивченні електротехніки та фізики електричних ланцюгів.
Початкова формулювання
Перший закон Кірхгофа, також відомий як принцип збереження заряду, встановлює, що алгебраїчна сума струмів, що входять і виходять з вузла в електричному ланцюзі, дорівнює нулю.
Це означає, що заряд, подібно енергії, не може бути створений або знищений всередині замкнутої системи. Замість цього, заряд може тільки переміщатися по ланцюгу. Перемикання струму, його додавання або віднімання в одному місці, призведе до відповідної зміни струму в іншому місці, щоб підтримувати баланс.
Цей принцип є одним з основних законів електричних ланцюгів і широко застосовується в електротехніці та електроніці. Він дозволяє аналізувати і вирішувати складні електричні ланцюги, визначати струми і напруги в різних вузлах і елементах ланцюга.
Для формального запису першого закону Кірхгофа прийнято використовувати таблицю, де кожен рядок являє собою вузол або групу вузлів, і кожен стовпець - струм або струмову змінну. Потім сума всіх струмів, що входять у вузол, повинна дорівнювати сумі всіх струмів, що виходять з вузла.
Принцип збереження заряду, виражений першим законом Кірхгофа, є основоположним для розуміння та аналізу електричних ланцюгів і є невід'ємною частиною курсів з електрики та електроніки.
Принцип збереження заряду
Іншими словами, кількість електричного заряду в ізольованій системі не може змінюватися з часом. Це пов'язано з тим, що заряд є збереженою величиною, що означає, що він не може бути створений або знищений. Заряд може тільки переміщатися з одного об'єкта в інший.
Принцип збереження заряду має важливе значення для розуміння поведінки зарядів в електричних ланцюгах. Він дозволяє визначити розподіл зарядів на провідниках і елементах ланцюга, а також передбачати протягом електричного струму.
Цей принцип є основою для формулювання законів Кірхгофа і багатьох інших законів і теорій в електродинаміці. Він також знаходить застосування в багатьох практичних областях, включаючи електротехніку, електроніку та фізику.
Як працює перший закон Кірхгофа
Вузол являє собою точку в ланцюзі, в якій зустрічаються два або більше провідника. У вузлі відбувається рівномірний розподіл зарядів між провідниками, що дозволяє підтримувати баланс в ланцюзі.
У першому законі Кірхгофа акцент робиться на збереження заряду. При підключенні електричних приладів до ланцюга, заряди цих приладів переміщаються по провідниках, створюючи струм. Відповідно до першого закону Кірхгофа, сума всіх цих струмів у вузлі повинна дорівнювати нулю.
Застосування першого закону Кірхгофа часто вимагає вирішення систем рівнянь, щоб знайти значення невідомих струмів у ланцюзі. Цей закон є одним з основних інструментів для розробки та аналізу електричних схем.
Перший закон Кірхгофа є фундаментальним принципом, на якому будуються інші закони і правила в області електричної теорії. Він допомагає зрозуміти, як електричні схеми функціонують і як відбувається передача заряду в електричних ланцюгах.
Електричний струм
Струм у звичайній ситуації тече від позитивно зарядженого об'єкта до негативно зарядженого об'єкта. Це пов'язано з тим, що заряди одного знака відштовхуються, а заряди різного знака притягуються. Таким чином, електрони, які є негативно зарядженими, рухаються від області з більшою концентрацією електронів (негативним зарядом) до області з меншою концентрацією (позитивним зарядом).
Одиниця виміру струму-ампер (а). Один ампер дорівнює переміщенню одного кулона заряду протягом однієї секунди. Струм може бути постійним або змінним залежно від характеру руху заряджених частинок. Постійний струм залишається постійним з часом, тоді як змінний струм змінюється величиною та напрямком.
Опору
Опір матеріалу залежить від його особливостей і хімічного складу. Найпростіший приклад опору може бути провідник, виконаний з металу. Зазвичай метали мають низький опір, що дозволяє електричному струму легко протікати через них. Однак деякі матеріали, такі як напівпровідники або ізолятори, мають набагато більший опір, що значно ускладнює проходження струму.
Значення опору залежить від довжини і площі поперечного перерізу матеріалу. Чим довше матеріал, тим більше опір, і навпаки, чим більше площа поперечного перерізу, тим менше опір. Це пояснює, чому тонкі дроти мають більший опір в порівнянні з товстими.
Опір також залежить від температури. У більшості матеріалів опір збільшується з підвищенням температури, хоча є винятки, наприклад, деякі напівпровідники, у яких опір зменшується при підвищенні температури.
Важливо відзначити, що опір є важливим фактором при розрахунку електричних ланцюгів і деталей, таких як резистори. Знання значень опору допомагає інженерам оптимізувати та контролювати потік електроенергії в системі.
Правило вузлового рівності
Правило вузлового рівності говорить, що в будь-якому вузлі електричного кола сума вхідних і вихідних струмів повинна бути дорівнює нулю. Вузол-це точка з'єднання декількох провідників або інших елементів ланцюга.
Правило вузлового рівності грунтується на принципі збереження заряду. Якщо в вузол входить певна кількість заряду (струм), то воно повинно рівномірно розподілитися між вихідними шляхами.
Це правило часто використовується при вирішенні складних електричних ланцюгів, коли необхідно визначити невідомі значення струмів або напруг в різних вузлах ланцюга. З його допомогою можна побудувати рівняння, що відображають рівність суми вхідних і вихідних струмів в кожному вузлі ланцюга.